IBM desvelado un chip de computación cuántica de 127 qubit llamado Eagle esta semana, mostrando un nuevo activo en la carrera para construir la computadora cuántica más poderosa.
Sus fichas se compararán con las del como el Laboratorio Nacional de Ciencias Físicas de Hefei en la Universidad de Ciencia y Tecnología en China, Google, y Microsoft.
El Eagle es un procesador cuántico que se alrededor del tamaño de una moneda. A diferencia de los chips de computadora normales, que codifican información como 0 o 1 bits, las computadoras cuánticas pueden representar información en algo llamado qubits, que puede tener un valor de 0, 1 o ambos al mismo tiempo debido a una propiedad única llamada superposición. Al contener más de 100 qubits en un solo chip, IBM dice que Eagle podría aumentar el “espacio de memoria requerido para ejecutar algoritmos”, lo que en teoría ayudaría a las computadoras cuánticas a abordar problemas más complejos.
“La gente ha estado entusiasmada con las perspectivas de las computadoras cuánticas durante muchas décadas porque hemos entendido que hay algoritmos o procedimientos que se pueden ejecutar en estas máquinas que no se pueden ejecutar en computadoras convencionales o clásicas”, dice David Gosset, profesor asociado en el Instituto de Computación Cuántica de la Universidad de Waterloo, que trabaja en investigación con IBM, “que puede acelerar la solución de ciertos problemas específicos”.
Esto es lo que debe saber sobre estos nuevos chips y la computación cuántica en general.
Estas son las formas en que las computadoras cuánticas podrían ser útiles
Toda esta tecnología sofisticada plantea la pregunta: ¿de qué sirve un chip cuántico, de todos modos?
Hay tres grandes categorías de tareas que los científicos teorizan que las computadoras cuánticas podrían hacer mejor que las máquinas tradicionales. Cuando los físicos Richard Feynman y David Deutsch propusieron por primera vez las computadoras cuánticas en la década de 1980, su idea era usarlas para simular sistemas cuánticos como moléculas que no se pueden representar con precisión mediante algoritmos clásicos y computadoras convencionales.
Las computadoras cuánticas también son expertas en ciertas funciones matemáticas, como la factorización de números enteros, un caso de uso propuesto por primera vez por el matemático Peter Shor en la década de 1990. Ciertos sistemas de criptografía que encriptaban datos a través de Internet confiaban en la dificultad de este problema. “Es cierto que las computadoras cuánticas se pueden usar para romper parte del cifrado que se usa actualmente en nuestras máquinas clásicas”, dice Gosset. “Sin embargo, existe un campo completo conocido como criptografía post-cuántica, y ese campo tiene como objetivo desarrollar nuevos sistemas de cifrado clásicos que sean resistentes a la rotura”.
Por último, las computadoras cuánticas podrían realizar búsquedas más rápidas a través de una base de datos sin clasificar en comparación con las computadoras clásicas, gracias a un algoritmo introducido por primera vez por el científico informático Lov Grover.
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En tiempos más modernos, algunos de los clientes de IBM usan computadoras cuánticas para simular moléculas o la dinámica en problemas de química, mientras que otros han tratado de aplicarlas a tareas de optimización y aprendizaje automático.
El viaje que llevó al chip Eagle comenzó en 2016, cuando IBM lanzó una computadora cuántica de 5 qubit en la nube llamada Experiencia cuántica. Desde entonces, la compañía ha lanzado una sucesión de chips con un número creciente de qubits, todos con nombres de aves y cada uno con su propio conjunto de desafíos tecnológicos.
El hardware de computación cuántica de IBM se compone de circuitos superconductores. Los qubits mismos están hechos de un material superconductor. llamado niobio. El diseño del sistema parece un inductor en paralelo con un condensador. Estos dos elementos controlan el flujo de corriente en el circuito, y el inductor es un elemento no lineal llamado Josephson Junction, que es una unión a nanoescala de óxido de aluminio. Este tipo de qubit superconductor fue pionero en Yale en los años anteriores y, en la práctica, parece un átomo artificial que se puede controlar mediante una secuencia de pulsos de microondas.
El vuelo del halcón y el colibrí
Así es como funcionan los chips cuánticos, en general.
Básicamente, todos los chips cuánticos están vinculados a un sistema de control que tiene componentes electrónicos que se utilizan para operar el procesador cuántico. Pueden alimentar pulsos a través de los cables a los qubits. “Les hablas encendiendo microondas o poniendo una señal con una frecuencia particular. Cada qubit está etiquetado por su propia frecuencia, que sería como el color de la luz. Es como si cada qubit tuviera su propio número de serie ”, explica Christopher Wilson, profesor del Instituto de Computación Cuántica de la Universidad de Waterloo.
Con el chip Falcon de 27 qubit, los ingenieros de IBM tuvieron que averiguar cómo ajustar con precisión las uniones Josephson que hacían. “Cuando los haga, su fabricación dará como resultado una cierta dispersión en la energía total de dónde terminan estos qubits”, dice Jerry Chow, director de desarrollo de sistemas de hardware cuántico en IBM Quantum. Para hacer una gran cantidad de qubits que cada uno tuviera las energías adecuadas, se les ocurrió una técnica de recocido láser que les permitió ajustar las frecuencias de qubit a los lugares correctos después de fabricar el chip.
El chip justo antes de Eagle era Hummingbird con 65 qubits. El obstáculo estaba en cómo se leían los qubits individuales.
“Con todos estos qubits, necesitas traer cables para controlarlos, sacar cables para leerlos y tu sistema completo se coloca dentro de un [cryostat to] enfríelo, refrigérelo ”, dice Chow. “Diseñamos el chip de tal manera que nos permitió, por cada 8 qubits, usar una sola cadena de lectura. Eso influye en el volumen total de componentes que guardamos dentro del sistema de refrigeración “.
Eagle, su chip actual, necesitaba un esquema de cableado eficiente. “Cuando llegas al 100 [qubit] nivel, es muy difícil introducir los cables para abordar cada uno de ellos. Es solo un problema de bienes raíces ”, dice Chow. En versiones anteriores, los chips eran “golpe unido, ”Lo que significaba tener un chip con qubits y otro chip con parte del cableado. “Incluso en ese caso, es muy difícil llevar todo el cableado a los lugares correctos a medida que aumenta la escala”.
Pero dentro del chip Eagle hay un conjunto de capas que permiten un cableado de varios niveles. “Podemos integrar muchos más circuitos de control que nos permiten distribuir y distribuir las señales para abordar la cantidad de qubits que tenemos en Eagle”, dice Chow. En una animación interactiva en su entrada en el blog, IBM dividió estas capas de arriba a abajo en el plano de qubit, el plano de resonador (para lectura de qubit), el plano de cableado (enruta las señales al plano de qubit) y el intercalador (entrega señales). Este diseño se inspiró en los microprocesadores comunes en las tecnologías de semiconductores (piense en los chips de computadora clásicos).
Otra característica del chip Eagle es la estructura de celosía hexagonal que sostiene los qubits. “La idea es que tenga estos elementos de circuito, que son los qubits, y lo que tenemos que hacer es conectar los qubits”, explica Chow. Los qubits se colocan en una disposición en forma de panal: imagina un qubit en cada vértice y borde. Se utiliza un elemento de circuito llamado bus cuántico para conectar qubits vecinos. El diseño de celosía se remonta al chip Falcon. Les permitió tener una matriz de qubits de alta densidad en un gráfico, porque redujo la cantidad de colisiones de energía entre los qubits, lo que podría reducir las tasas de error y preservar el tiempo de coherencia de los qubits.
El tiempo de coherencia se refiere a cuánto tiempo permanecen los qubits en el estado de superposición cuántica en forma de onda. Pero a medida que los qubits se comunican entre sí y con los cables en su entorno, la información cuántica se filtra, lo que resulta en decoherencia. El tiempo de coherencia y el tiempo que se tarda en hacer una puerta cuántica “Establece el límite de tiempo sobre el tamaño de cálculo que puede hacer”, dice Wilson.
Los tiempos de coherencia para Eagle están en el rango de 70 a 110 microsegundos, que está “a la par con la mediana de una de nuestras generaciones anteriores de procesadores Falcon”, dice Chow. Sin embargo, en una nueva generación de Falcon que están desarrollando en paralelo con Eagle, Chow afirma que han podido aumentar el tiempo medio de coherencia a 300 microsegundos.
“Probamos todos los qubits, comprobamos que todas las puertas funcionan. Todavía continuamos afinando todas estas puertas y haciéndolas de mayor fidelidad, menores errores. Hemos realizado demostraciones sencillas de entrelazamiento ”, dice Chow. “A medida que sigamos caracterizándolo por completo, haremos pruebas como el volumen cuántico para medir la calidad, CLOPS [Circuit Layer Operations per second] para medir la velocidad “.
Un sistema de refrigeración actualizado para el próximo Osprey
IBM está considerando chips aún más grandes en el futuro: uno llamado Osprey volaría a 400 qubits y otro, Condor, a 1,000. Pero para conexiones de tan alta densidad, el equipo de Chow cree que el sistema actual de lámpara de araña única podría no ser suficiente para mantener fresco todo el sistema.
los Sistema uno El contenedor que alberga su criostato de araña actual, así como el cableado y la electrónica de control que rodea la computadora cuántica, deben actualizarse. “Una gran cosa es que necesitamos más espacio para el entorno criogénico, por lo que es una nevera más grande”, dice Chow. “Nos hemos asociado con Bluefors para imaginar cómo será ese tipo de espacio de refrigerador más grande y más utilizable”.
El número es importante, pero no lo es todo.
Muchos expertos coinciden en que es notable romper la barrera de los 100 qubit, ya que la mayoría de las computadoras cuánticas en los últimos años se han mantenido en el rango de 50 a 70 qubit (la computadora de Google que logró “supremacía cuántica”En 2019 tenía 53 qubits).
Para el contexto, el costo de representar un estado cuántico en la memoria de una computadora clásica aumenta exponencialmente con cada qubit agregado.
“Cuando se habla de 40 o 50 qubits, hay máquinas en el mundo que tienen suficiente memoria de computadora, tal vez sean estas enormes supercomputadoras”, dice Gosset. “Ese es el límite de dónde se puede almacenar el estado cuántico en la memoria utilizando una cantidad ridícula de espacio en disco. Pero con 100 qubits realmente no se puede almacenar el estado cuántico completo en la memoria de la computadora “.
Sin embargo, los expertos dicen que determinar si la computadora cuántica es realmente útil no se trata solo de la cantidad de qubits. “Se trata de la conectividad del dispositivo, por lo que su capacidad para aplicar puertas entre diferentes qubits”, agrega Gosset. “También tiene que ver con la fidelidad de los qubits, es decir, la tasa de errores que se producen en el dispositivo”.
Más de una forma de hacer una computadora cuántica
Aunque los qubits superconductores son los materiales más populares utilizados para construir una computadora cuántica, ciertamente no es la única forma. “IBM y Google trabajan en qubits superconductores y Microsoft en un enfoque más incipiente llamado qubits topológicos”, dice Sebastian Will, profesor asistente de física en la Universidad de Columbia. “Ambas tecnologías se basan parcialmente en técnicas y enfoques de fabricación que son algo similares a los chips de silicio que conocemos de las computadoras clásicas”.
Pero Will señala que también existen otras plataformas de computación cuántica prometedoras, como los sistemas basados en iones atrapados y átomos neutros. “En muchos sentidos, los sistemas de computación cuántica basados en iones o átomos neutros son más simples que los qubits superconductores, porque el qubit no necesita ser fabricado”, dice. “La naturaleza simplemente lo proporciona en forma de iones y átomos”.
Honeywell, por ejemplo, está desarrollando computadoras cuánticas de iones atrapados, utilizando campos electromagnéticos para contener los iones y señales de microondas y láseres para codificarlos. Pero, en general, se ven con más frecuencia en laboratorios universitarios y pequeñas empresas emergentes.
Dado que la ingeniería de hardware para las computadoras cuánticas es más complicada que la de las computadoras clásicas, “no está claro hoy cuál será la plataforma de hardware más prometedora para las computadoras cuánticas útiles”, dice Will. “Lo que resultará más convincente es una demostración, en la que una computadora cuántica resuelve un problema relevante del mundo real mejor que una computadora clásica”.